Ba#eries, Fuel Cells, and the Big Picture of Energy Chem - - PowerPoint PPT Presentation

Ba#eries, ¡Fuel ¡Cells, ¡and ¡the ¡Big ¡ Picture ¡of ¡Energy ¡

Chem ¡204 ¡ April ¡2, ¡2014 ¡

DOE’s ¡Energy ¡InformaDon ¡ AdministraDon ¡

Subcategories: ¡fossil ¡fuels; ¡nuclear; ¡renewables ¡ ¡

Main ¡reacDon: ¡hydrocarbons ¡+ ¡oxygen ¡à ¡ CO2 ¡+ ¡water; ¡huge ¡negaDve ¡delta ¡G ¡

Worldwide ¡energy ¡consumpDon: ¡BP ¡

Problem: ¡CO2 ¡in ¡the ¡atmosphere ¡

• Intergovernmental ¡Panel ¡on ¡Climate ¡Change ¡

(IPCC) ¡has ¡issued ¡recent ¡reports ¡about ¡global ¡ impacts ¡of ¡increasing ¡carbon ¡dioxide ¡in ¡the ¡ atmosphere ¡

• Problem: ¡fossil ¡fuels ¡reserves ¡projected ¡to ¡run ¡
• ut ¡by… ¡2100 ¡(depends ¡on ¡who ¡you ¡read) ¡

DIC ¡= ¡dissolved ¡inorganic ¡carbon; ¡numbers ¡based ¡on ¡simple ¡equilibria ¡for ¡model ¡CO2 ¡

Power ¡in ¡our ¡daily ¡lives ¡

• Bus, ¡car, ¡plane: ¡combusDon ¡(or ¡perhaps ¡

hybrid ¡electric ¡vehicles ¡that ¡require ¡ba#ery) ¡

• Household ¡electricity: ¡mostly ¡based ¡on ¡

combusDon ¡in ¡central ¡Illinois ¡(natural ¡gas) ¡

• Electronic ¡devices ¡(phones, ¡laptops, ¡etc.): ¡

ba#ery ¡

What ¡is ¡a ¡ba#ery? ¡

What ¡is ¡a ¡ba#ery? ¡

• The ¡same ¡thing ¡as ¡our ¡two ¡separate ¡

beakers ¡with ¡the ¡two ¡redox ¡halves, ¡ salt ¡bridge ¡etc., ¡but ¡packaged ¡be#er: ¡ an ¡electrochemical ¡cell ¡that ¡converts ¡ chemical ¡energy ¡into ¡electrical ¡ energy ¡

• Ba#ery ¡has ¡to ¡be ¡electrically ¡

connected ¡(with ¡a ¡wire) ¡to ¡discharge: ¡ ¡ this ¡is ¡what ¡happens ¡when ¡you ¡put ¡it ¡ in ¡your ¡device ¡properly ¡

Electrons ¡leave ¡anode ¡ (where ¡oxidaDon ¡has ¡happened) ¡ and ¡go ¡to ¡cathode ¡to ¡perform ¡ ¡ reducDon ¡reacDon, ¡if ¡wired ¡up ¡

Ba#ery ¡innards ¡

h#p://www.ba#eryfacts.co.uk/Ba#eryTypes/LiIon.html ¡

Ba#ery ¡types ¡

• Primary: ¡ ¡disposable; ¡not ¡rechargeable ¡
• Secondary: ¡rechargeable ¡(i.e., ¡can ¡apply ¡

voltage ¡and ¡get ¡reacDon ¡to ¡run ¡in ¡reverse ¡ (“charging”) ¡so ¡that ¡ba#ery ¡can ¡be ¡re-­‑used) ¡

DefiniDons ¡

• Anode ¡(-­‑) ¡and ¡cathode ¡(+) ¡while ¡discharging ¡(=operaDng) ¡
• Voltage ¡in ¡volts ¡represents ¡electrical ¡potenDal ¡energy ¡difference ¡

between ¡fully ¡charged ¡and ¡fully ¡discharged ¡ba#ery ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1 ¡Volt ¡= ¡1 ¡Joule ¡/ ¡Coulomb) ¡

• Current ¡in ¡amperes ¡(“amps”; ¡Coulombs/sec); ¡recall ¡one ¡electron ¡

has ¡a ¡charge ¡of ¡1.602 ¡x ¡10-­‑19 ¡Coulombs) ¡

• How ¡much ¡charge ¡the ¡ba#ery ¡has ¡stored ¡or ¡used: ¡amp-­‑hours ¡(amps ¡

Dmes ¡hours, ¡AH; ¡also ¡milliamp-­‑hours, ¡mAH. ¡Why ¡not ¡coulombs ¡ directly? ¡Who ¡knows??) ¡ ¡ ¡

Ba#ery ¡Capacity ¡

• Total ¡amp-­‑h ¡available ¡from ¡a ¡fully-­‑charged ¡

ba#ery ¡

• “C” ¡= ¡symbol ¡for ¡ba#ery ¡capacity ¡but ¡in ¡terms ¡
• f ¡a ¡rate, ¡per ¡one ¡hour. ¡ ¡ ¡

Ba#ery ¡Capacity ¡

• Total ¡amp-­‑h ¡available ¡from ¡a ¡fully-­‑charged ¡

ba#ery ¡

• “C” ¡= ¡symbol ¡for ¡ba#ery ¡capacity ¡but ¡in ¡terms ¡
• f ¡rate ¡per ¡one ¡hour. ¡ ¡A ¡5 ¡AH ¡ba#ery ¡that ¡

discharges ¡at ¡a ¡rate ¡of ¡“10C” ¡has ¡delivered ¡50 ¡

• amps. ¡A ¡5AH ¡ba#ery ¡that ¡is ¡recharged ¡at ¡a ¡

rate ¡of ¡5C ¡has ¡had ¡25 ¡amps ¡delivered. ¡

Discharge ¡Curve ¡

Courtesy ¡of ¡PowerStream ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡

• Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡

• Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡
• Power ¡= ¡energy ¡per ¡Dme ¡ ¡

(1 ¡Joule/sec ¡= ¡1 ¡Wa#) ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡

• Energy ¡has ¡units ¡of ¡Joules ¡
• Power ¡= ¡energy ¡per ¡Dme ¡ ¡

(1 ¡Joule/sec ¡= ¡1 ¡Wa#) ¡ ¡ 1 ¡Wa# ¡= ¡1 ¡Volt ¡x ¡1 ¡amp, ¡

• r, ¡the ¡power ¡that ¡results ¡ ¡

from ¡one ¡amp ¡of ¡current ¡ flowing ¡through ¡electric ¡poten5al ¡ difference ¡of ¡one ¡volt ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡

• Energy ¡density ¡= ¡energy ¡available ¡from ¡a ¡

ba#ery ¡per ¡volume ¡

• Specific ¡energy ¡= ¡energy ¡available ¡from ¡a ¡

ba#ery ¡per ¡mass ¡

• Units: ¡ ¡Wa#s ¡x ¡hours ¡per ¡liter ¡or ¡per ¡kg ¡

(so ¡energy ¡in ¡units ¡of ¡power ¡x ¡Dme) ¡

Energy ¡vs. ¡Power ¡

• Power ¡density ¡= ¡power ¡available ¡from ¡a ¡

ba#ery ¡per ¡volume ¡

• Specific ¡power ¡= ¡power ¡available ¡from ¡a ¡

ba#ery ¡per ¡mass ¡

• Units: ¡ ¡Wa#s ¡per ¡liter ¡or ¡per ¡kg ¡

Ragone ¡plot ¡ ¡

Ragone ¡plot ¡in ¡context ¡of ¡electric ¡car ¡ ba#eries ¡(MIT ¡Sloan ¡School ¡report) ¡

Zinc-­‑carbon ¡or ¡dry ¡cell ¡(AAA, ¡D ¡etc.) ¡

• Anode: ¡Zn(s, ¡powder) ¡
• Cathode: ¡graphite ¡mixed ¡with ¡MnO2 ¡powder ¡
• Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡ZnCl2, ¡NH4Cl ¡
• Overall ¡reacDon: ¡Zn(s) ¡+ ¡2 ¡MnO2 ¡+ ¡2 ¡NH4Cl ¡à ¡

Mn2O3 ¡+ ¡Zn(NH3)2Cl2 ¡(aq) ¡ ¡+ ¡H2O ¡(l) ¡

• Voltage: ¡1.5V ¡

Alkaline ¡(AAA, ¡D ¡etc.) ¡

• Anode: ¡Zn(s, ¡powder) ¡
• Cathode: ¡graphite ¡mixed ¡with ¡MnO2 ¡powder ¡
• Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡KOH ¡
• Overall ¡reacDon: ¡Zn ¡+ ¡2 ¡MnO2 ¡à ¡Mn2O3 ¡+ ¡ZnO ¡
• Voltage: ¡1.5V ¡

NiCad ¡(AAA…D; ¡secondary) ¡

• Anode: ¡Cd(s) ¡
• Cathode: ¡NiOOH ¡with ¡graphite ¡
• Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡water, ¡KOH ¡
• Overall ¡reacDon: ¡2 ¡NiOOH ¡+ ¡Cd ¡+ ¡2 ¡H2O ¡ ¡à ¡ ¡

2 ¡Ni(OH)2 ¡+ ¡Cd(OH)2 ¡

• Voltage: ¡1.3V ¡

Lead ¡acid ¡(car) ¡ba#ery ¡(secondary) ¡

• Anode: ¡Pb(s) ¡
• Cathode: ¡PbO2(s) ¡
• Electrolyte ¡(salt ¡bridge): ¡concentrated ¡sulfuric ¡acid ¡
• Overall ¡reacDon: ¡ ¡

Pb(s) ¡+ ¡PbO2 ¡(s) ¡+ ¡2HSO4

• ­‑(aq) ¡+ ¡2 ¡H+ ¡(aq) ¡ ¡à ¡2 ¡PbSO4 ¡(s) ¡ ¡+ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡H2O ¡(l) ¡

• Voltage: ¡2.0 ¡V ¡(in ¡car ¡ba#ery, ¡6 ¡in ¡series ¡to ¡give ¡12 ¡V) ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡

h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡(secondary) ¡

h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡ Lithium ¡ions ¡move ¡from ¡ graphite ¡anode ¡(where ¡they ¡ are ¡stuffed ¡between ¡sheets ¡

• f ¡carbon) ¡through ¡

nonaqueous ¡electrolyte ¡ (with ¡lithium ¡salt) ¡ ¡to ¡ complex ¡lithium ¡oxide ¡that ¡ has ¡a ¡metal ¡that ¡changes ¡

• xidaDon ¡state ¡once ¡lithium ¡

stuffed ¡into ¡it. ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡

h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡ Anode ¡reacDon: ¡ LixC6 ¡à ¡Li+ ¡+ ¡e-­‑ ¡+ ¡6 ¡C ¡ ¡ Cathode ¡reacDon: ¡ Li1-­‑xCoO2 ¡+ ¡xLi+ ¡+ ¡xe-­‑ ¡à ¡LiCoO2 ¡ Cobalt ¡in ¡this ¡example ¡ is ¡changing ¡oxidaDon ¡ state ¡from ¡+3 ¡to ¡+4; ¡ see ¡if ¡you ¡can ¡figure ¡it ¡

• ut! ¡

Lithium ¡ion ¡ba#eries ¡

h#p://www.digital-­‑camera-­‑ba#ery.net/blog/lithium-­‑ion-­‑ba#eries.htm ¡ Anode ¡reacDon: ¡ LixC6 ¡à ¡Li+ ¡+ ¡e-­‑ ¡+ ¡6 ¡C ¡ ¡ Cathode ¡reacDon: ¡ Li1-­‑xCoO2 ¡+ ¡xLi+ ¡+ ¡xe-­‑ ¡à ¡LiCoO2 ¡ Overall ¡voltage: ¡ ¡ 3.0-­‑3.4 ¡V ¡(depends ¡on ¡ materials) ¡

Li ¡ion ¡ba#ery ¡trends ¡

MIT ¡Sloan ¡report ¡on ¡electric ¡vehicles ¡

Fuel ¡Cells ¡

Fuel ¡Cells ¡

What ¡is ¡a ¡fuel ¡cell? ¡

Fuel ¡Cells ¡

• Generates ¡electricity ¡from ¡a ¡chemical ¡

reacDon, ¡like ¡a ¡ba#ery ¡

• BUT ¡the ¡reactants ¡have ¡to ¡be ¡conDnuously ¡

supplied ¡(like ¡fuel ¡to ¡a ¡car) ¡in ¡order ¡to ¡run ¡

Most ¡common ¡fuel ¡cell ¡reacDon: ¡

h#p://www.chfcc.org/FuelCells/about_fuelcells.asp ¡ 1.23 ¡V ¡in ¡theory, ¡ 0.7 ¡V ¡or ¡so ¡in ¡pracDce ¡

The ¡alkali ¡fuel ¡cell ¡for ¡aerospace ¡

Balance ¡the ¡hydrogen/water ¡reacDon ¡in ¡base! ¡ SDll ¡1.23 ¡V ¡in ¡theory. ¡ ¡ Apollo ¡astronauts ¡(Apollo ¡11 ¡launch ¡pictured; ¡from ¡universetoday ¡website) ¡ used ¡this ¡reacDon ¡for ¡power ¡– ¡and ¡drank ¡the ¡product! ¡

Ragone ¡plot ¡in ¡context ¡of ¡electric ¡car ¡ ba#eries ¡(MIT ¡Sloan ¡School ¡report) ¡

Toyota, ¡ Honda ¡ will ¡ introduce ¡ fuel ¡cell ¡ cars ¡in ¡ 2015 ¡

Homework ¡due ¡Friday: ¡

• 13.45 ¡ ¡
• 13.73 ¡(=12.71 ¡in ¡4th ¡ed.) ¡
• 13.74 ¡(=12.72 ¡in ¡4th ¡ed.) ¡